JP2023081506A - 横孔付きシャフト部品及びこれを製造するための鋼材 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｎｉを含有することなく、Ｎｉ含有鋼を用いた場合と同等以上の強度を有し、被削性に優れたシャフト部品及びこれを製造するための鋼材を提供すること。【解決手段】内孔２を有すると共に、内孔２に連通するよう径方向に設けられた横孔３を有し、外表面１１及び横孔３の内表面に浸炭硬化層を備えたシャフト部品１である。化学成分組成は、式１及び式２を具備する。式１：２５＜（Ｓｉ－０．４１）2×１００＋９Ｃｒ＋１８Ｍｏ＋１６。式２：＜－Ｃｒ＋０．５／Ｓｉ＋０．０１／Ｎｂ＋０．６－０．７Ｍｎ。内部硬さが４００～５００ＨＶであり、横孔の特定位置の内表面の硬さが８００ＨＶ以上であり、特定位置の浸炭異常層の厚みが２０μｍ以下であり、特定位置のトルースタイト組織の面積率が１．００％以下であり、横孔の開口部の角部に円相当径が０．１μｍ以上の炭化物が網目状に配列された網目状炭化物が存在していない。【選択図】図１

Description

本発明は、横孔付きシャフト部品及びこれを製造するための鋼材に関する。

動力を伝達するシャフト部品は、ねじり強度が必要とされる。エンジン、トランスミッション等の高容量化に伴いシャフト部品に入力されるトルクも増大し、従来と比較し高い静ねじり強度（比例限度）と疲労強度が要求される。通常、シャフト部品は浸炭処理が施されるが、鋼材としては、Ｃｒ汎用鋼やＣｒ－Ｍｏ汎用鋼が使用され、更に強度が必要な場合はＮｉ－Ｃｒ－Ｍｏ汎用鋼が使用される。しかし、これらの汎用鋼を用いたシャフト部品が昨今の高強度化ニーズに対して十分に応えているとは言い難い。また、含Ｎｉ鋼は、強度は優れるものの、素材コストが高いという問題と、Ｎｉ添加により被削性が低下し、機械加工時に工具摩耗量が増加するという問題がある。

シャフト部品による動力伝達力増加の手段として、シャフト部品径を大径化することは、容易に考えることができる。しかし、この方法は、ユニットの大型化・重量増加を招き、燃費が悪化するため、適切な手段ではない。そのため、同じ大きさの動力を伝えるのに、より細い径のシャフト部品で適用を可能にする技術の開発が、強く望まれている。

また、シャフト部品には、潤滑等を目的として油孔を設ける場合が多い。具体的には、シャフト部品の中心軸に沿った内孔を有すると共に、外表面から内孔に連通するよう径方向に設けられた横孔（油孔）を有する場合が多い。このような横孔を有するシャフト部品では、横孔の開口部の角部に応力集中が起こりやすく、横孔が存在しない場合よりもさらに高強度化を図らなければならない。従来のシャフト部品の高強度化を図る技術としては、例えば、特許文献１～３に記載の技術が提案されている。

特開２０１３－２８８６０号公報 特開２０００－２２２９号公報 特開２００５－２５６０８２号公報

横孔付きシャフト部品においては、横孔がない場合に比べ、（１）横孔が存在することによる応力集中による強度低下の問題、（２）細径である横孔内部表面については、浸炭処理中に浸炭ガスが十分に循環しにくいため、シャフト外径表面に比較して浸炭されにくくなるという問題、（３）（２）の問題対応のため、Ｃ．Ｐ．（カーボンポテンシャル）を高めて浸炭することにより、横孔内部表面の浸炭状況改善を図ろうとすると、今度は、特に浸炭されやすい部位である横孔開口部の角部（以下、適宜、単に、「角部」という。）に粒界への網目状炭化物が生成しやすくなり、それにより強度が低下するという問題等の課題が増え、より高い高強度化対策が必要となる。

従来の高強度化対策のうち、シャフト部品を大径化することは、上述したように、重量がアップすることから採用することは困難である。また、用いる鋼材にＮｉを添加して高強度化を図ることは、素材コストが増加すると共に被削性が悪化して加工コストが増大するため、これも採用することは困難である。従って、高価な元素を添加することなく、細径である横孔内部表面や開口部角部等の浸炭状態を改善できる新しい技術開発が求められている。

浸炭処理については、ガス浸炭、減圧浸炭、滴注式浸炭等、種々の浸炭処理方法を採用することができるが、いずれの処理方法であっても、従来鋼より高強度が得られるよう、成分最適化を図りつつ、横孔開口部角部での網目状炭化物生成を防止しつつ、比較的細い孔である横孔内部奥の表面における浸炭状態を、強度と共に同時に改善することは容易ではない。そのため、優れた浸炭品質が確保できるように、材料自体を改善する必要がある。

たとえば、浸炭異常層を薄くするためＳｉ含有率を低くすることが考えられるが、Ｓｉ含有率が低すぎると、特に減圧浸炭の場合に、角部における粒界への網目状炭化物の生成可能性が高くなると考えられる。そのため、Ｓｉ含有率の大幅低減は困難である。

また、Ｎｉ添加により角部の粒界への網目状炭化物生成を抑えることも考えられるが、上述したように、Ｎｉ添加によるコスト高及び被削性悪化の可能性がある。そのため、Ｎｉ添加は採用できない。

また、ＳｉとＢの複合添加による粒界強化を図ることも考えられるが、この場合には、狙いの結晶粒度確保のためＮｂ添加が必須となる。しかし、ＳｉとＮｂの複合添加は、Ｃｒとのバランスにもよるが、浸炭性を悪化させ、横孔内部表面での浸炭層のトルースタイト組織の増加、硬さ不足を招くおそれがある。そのため、これらの元素については、得られる浸炭性が適正となるように、最適な添加範囲を見極める必要がある。

また、前記した提案されているシャフト部品の高強度化技術について検討すると、まず特許文献１では、ねじり疲労強度を向上させることが記載されているが、孔付部品に適用することの記載がなく、横孔を設けた場合にどのような問題が生じ、どうすれば横孔付部品で浸炭後に問題ない浸炭状態を確保しつつ、優れた強度改善効果が得られるか不明であり、浸炭異常層に関する具体的な記載もない。

また、特許文献２及び３においては、横孔を有するシャフト部品の記載はあるものの、Ｓｉ含有率が低く、その結果として、Ｓｉ、Ｂ複合添加による粒界強化を図ることや、横孔角部における粒界への網目状炭化物の生成を防止することが、行いにくいと予想され、優れた強度、適正な浸炭層が得られないと考えられる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、Ｎｉを積極添加することなく、Ｎｉ含有鋼を用いた場合と同等以上の強度を有し、被削性についてもＮｉを積極添加しない浸炭用鋼と比べ、同等以上を確保可能であって、浸炭後の横孔角部及び内部の組織状態を適正に保つことのできる横孔付きシャフト部品及びこれを製造するための鋼材を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、中心軸に沿った内孔を有すると共に、外表面から上記内孔に連通するよう径方向に設けられた横孔を有し、少なくとも、上記外表面及び上記横孔の内表面に浸炭硬化層を備えたシャフト部品であって、
質量％にて、Ｃ：０．１９～０．２８％、Ｓｉ：０．５０～１．００％、Ｍｎ：０．３５～１．６０％、Ｃｒ：０．４５～１．５０％、Ａｌ：０．０２０～０．０８０％、Ｔｉ：０．０１～０．０８％、Ｂ：０．００１０～０．００５０％、Ｎｂ：０．０１～０．０７％、Ｎ：０．００２０～０．０１００％を含有し、任意元素として、Ｍｏ：０．８０％以下を含有し、下記式１及び式２を具備し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる化学成分組成を有し、
式１：２５＜（Ｓｉ－０．４１）²×１００＋９Ｃｒ＋１８Ｍｏ＋１６、
式２：＜－Ｃｒ＋０．５／Ｓｉ＋０．０１／Ｎｂ＋０．６－０．７Ｍｎ、
（ただし、式１及び式２における元素記号は、各元素の含有率（質量％）の値を意味する。）
内部硬さが、４００～５００ＨＶであり、
上記横孔の開口部から上記径方向に当該横孔の全長（＝シャフト部品の半径－内孔半径）の３／４の位置までの上記内表面の平均硬さが８００ＨＶ以上であり、
上記横孔の上記開口部から上記径方向に１ｍｍの位置において、上記内表面からの浸炭異常層の厚みが２０μｍ以下であると共に、上記内表面から１５０μｍ深さまでの範囲においてトルースタイト組織の面積率が１．００％以下であり、
上記横孔の上記開口部の角部に円相当径が０．１μｍ以上の炭化物が網目状に配列された網目状炭化物が存在していない、横孔付きシャフト部品にある。

本発明の他の態様は、上記横孔付きシャフト部品を製造するための鋼材であって、上記化学成分組成を有する、鋼材にある。

上記横孔付きシャフト部品は、Ｎｉを積極添加しない一方、他の元素を上記特定の範囲に制限するとともに、式１及び式２を具備することを必須とする特定の化学成分組成を有している。これにより、従来のＮｉ含有鋼を用いた場合と同等以上の強度を確保することができ、特に横孔を備えたシャフト部品であっても、浸炭処理した際に、横孔開口部角部及び横孔内部奥の表面浸炭層について、共に適切な組織を得ることができ、優れた耐久性を発揮しうるものとなる。また、Ｎｉを添加しないことにより、素材コストを低減させることができるとともに、従来のＮｉを積極添加しない浸炭用鋼と比較して同等以上の被削性を確保することができる。

また、ＳｉとＢの複合添加によって、粒界強度を強化し、粒界破壊の抑制による強度向上を図ることができ、さらに、Ｓｉ、Ｂも含めた成分の最適化によって、浸炭等の熱処理後に、内部硬さ４００～５００ＨＶを確保することができる。そして、この内部硬さを確保することにより、静ねじり強度を向上させることができる。

また、上記化学成分組成は、式１を満たしている。これにより、ガス浸炭処理をする場合においても、浸炭処理により発生しうる浸炭異常層の厚みを薄くすることが可能となる。そして、これにより、亀裂発生を抑制することが可能となる。勿論、減圧浸炭により、浸炭異常層が生成しないようにして処理することも可能である。

また、上記化学成分組成は、式２を満たしている。これにより、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｍｎの含有率の関係を適正化することによって、Ｓｉ及びＮｂ含有率を比較的高くした状態でもＣｒ含有率を適正範囲に制限することにより、問題のない浸炭性を確保することが可能となる。そして、これにより、浸炭処理中に浸炭ガスが循環しにくく、浸炭が進みにくい細径の横孔奥部においても、浸炭処理後に浸炭層トルースタイト組織の抑制と横孔内表面の高い硬さ確保が可能となり、さらに浸炭されやすい部位である角部の粒界への網目状炭化物の生成回避が可能となる。

このように、上記特定の化学成分組成を採用し、式１及び式２を満足することを必須とすることにより、内部硬さが４００～５００ＨＶであることに加えて、横孔の上記特定位置の内表面の硬さを８００ＨＶ以上とし、横孔の上記特定位置の浸炭異常層の厚みが２０μｍ以下であると共に、内表面から１５０μｍ深さまでの範囲においてトルースタイト組織を抑制し、かつ、横孔の角部に円相当径が０．１μｍ以上の炭化物が網目状に配列された網目状炭化物が存在していない状態を得ることができる。そして、これにより、静的ねじり強度及びねじり疲労強度に優れた横孔付きシャフト部品を得ることができる。

実施例における、横孔付きシャフト部品の正面図。 図１のＡ－Ａ線矢視断面図。 実施例における、実施例Ｅ１及び比較例Ｃ４の横孔内表面の硬さについて、横孔開口部からの距離との関係を示す説明図。

まず、上記横孔付きシャフト部品の化学成分組成の限定理由を説明する。

Ｃ：０．１９～０．２８％；
Ｃ（炭素）は、焼入れ処理後の硬さを向上させ、強度確保のための内部硬さを得るために必要な元素である。この効果を得るために、Ｃは０．１９％以上含有させる。一方、Ｃの過剰添加は、靭性の低下及び硬さ上昇による被削性低下につながるため、それを防止すべくＣ含有率の上限は０．２８％とする。

Ｓｉ：０．５０～１．００％；
Ｓｉ（ケイ素）は、粒界強度の強化、被削性確保、炭化物生成抑制、浸炭異常層抑制等の効果を発揮するため、０．５０％以上含有させる。一方、Ｓｉの過剰添加は、硬さ上昇による被削性低下につながるため、それを防止すべくＳｉ含有率の上限は１．００％とする。

Ｍｎ：０．３５～１．６０％；
Ｍｎ（マンガン）は、焼入れ性向上効果を得るために、０．３５％以上含有させる。一方、Ｍｎの過剰添加は、硬さ上昇による被削性低下あるいは残留オーステナイトの増加による浸炭層の硬さ低下につながるため、それを防止すべくＭｎ含有率の上限は１．６０％とする。

Ｃｒ：０．４５～１．５０％；
Ｃｒ（クロム）は、焼入れ性を高める効果を得るために、０．４５％以上含有させる。一方、Ｃｒの過剰添加は、硬さ上昇による被削性低下および網目状炭化物生成による疲労強度低下につながるため、それを防止すべくＣｒ含有率の上限は１．５０％とする。

Ａｌ：０．０２０～０．０８０％；
Ａｌ（アルミニウム）は、製鋼時の脱酸剤として使用される元素であるとともに、Ｎと結合して微細なＡｌＮとして存在する場合に、浸炭時の異常粒成長を抑制する効果を発揮する。これらの効果を得るために、Ａｌ含有率は０．０２０％以上とする。一方、Ａｌの過剰添加は、アルミナ等の酸化物系介在物が増加し、強度低下を招くため、Ａｌ含有率の上限は０．０８０％とする。

Ｔｉ：０．０１～０．０８％；
Ｔｉ（チタン）は、ＮがＢと結びつき、Ｂ添加による粒界強度向上効果が消失するのを防止するため、ＴｉＮとしてＮを消費する作用、いわゆるＮキル作用を得るのに有効であるため、０．０１％以上含有させる。一方、Ｔｉ含有率が高すぎると、ＴｉＮ生成による強度低下及び被削性低下招くため、Ｔｉ含有率は０．０８％以下とする。

Ｂ：０．００１０～０．００５０％；
Ｂ（ホウ素）は、粒界強度強化による強度向上効果を得るため、０．００１０％以上含有させる。一方、Ｂ含有率が高くなりすぎても、前述の効果が飽和するため、上限を０．００５０％とする。

Ｎｂ：０．０１～０．０７％；
Ｎｂ（ニオブ）は、結晶粒微細化の効果を得るため、０．０１％以上含有させる。一方、Ｎｂ含有率が高すぎると、コスト増になるだけでなく、浸炭性が低下するおそれがあるため、０．０７％以下に制限する。

Ｎ：０．００２０～０．０１００％；
Ｎ（窒素）は、Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）、ＡｌＮとなって、ピン止め効果により結晶粒粗大化を抑制する効果があるため、０．００２０％以上含有させる。一方、Ｎ含有率が高すぎると、加工性が低下するため、０．０１００％以下とする。

Ｍｏ（任意元素）：０．８０％以下；
Ｍｏ（モリブデン）は、任意添加元素であり、積極的に含有させる必要はなく、含有率０％でもよいが、スクラップを用いた電気炉溶解の場合は、少量不純物として含有される場合もある。そして、Ｍｏは、その含有により、焼入れ性向上に有効な元素であるので、必要に応じ少量添加することもできる。一方、Ｍｏ含有率が高すぎると、コストアップにつながるため、０．８０％以下に制限する。

その他、上記横孔付きシャフト部品の化学成分組成として明記はしていないが、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）は、製造上含有が避けられない元素であり、不純物として、０．０３０％以下程度の含有が許容される。

式１：２５＜（Ｓｉ－０．４１）²×１００＋９Ｃｒ＋１８Ｍｏ＋１６；
（ただし、式１における元素記号は、各元素の含有率（質量％）の値を意味する。）
式１は、これまでの多くの実験から導き出された浸炭異常層の厚さに関連する関係式であり、この関係を満足することにより、浸炭異常層を薄くすることが可能となる。

式２：０＜－Ｃｒ＋０．５／Ｓｉ＋０．０１／Ｎｂ＋０．６－０．７Ｍｎ；
（ただし、式２における元素記号は、各元素の含有率（質量％）の値を意味する。）
式２は、これまでの多くの実験から導き出された浸炭性に関する関係式であり、この関係を満足することにより、細い横孔奥においても、浸炭処理後に浸炭層トルースタイト組織が増加したり、浸炭層表面の硬さが大きく低下することがない、優れた浸炭性を確保することができる。

以上のような式１及び式２の関係を含む上記特定の化学成分組成を有することにより、上記横孔付きシャフト部品は、以下の特性を備えることができる。

まず、内部硬さは、４００～５００ＨＶの範囲内である。内部硬さは、上記シャフト部品の断面において、表面の浸炭硬化層よりも深い位置であるＤ／４（Ｄはシャフト部品の外径直径）の位置で測定した硬さとする。この内部硬さを４００ＨＶ以上とすることにより、静ねじり強度及びねじり疲労強度を向上させることができる。一方、内部硬さが高くなりすぎても上記効果が飽和するため、内部硬さの上限値は５００ＨＶでよい。

また、上記横孔の開口部から、径方向に当該横孔の全長（＝シャフト部品の半径－内孔半径）の３／４の位置における上記内表面の硬さが８００ＨＶ以上である。この特定の位置の内表面硬さを８００ＨＶ以上とすることにより、この特定位置から横孔の開口部（角部）までを、確実に８００ＨＶ以上の硬さとすることができ、応力集中が生じた際においても優れたねじり疲労特性を確保することができる。一方、上記特定位置の内表面硬さが８００ＨＶ未満の場合には、上記の特性が十分に得られないおそれがある。

また、上記横孔の上記開口部から、シャフト部品の径方向に１ｍｍの位置において、内表面からの浸炭異常層の厚みが２０μｍ以下である。この特定位置における浸炭異常層の厚みを２０μｍ以下とすることにより、横孔の開口部（角部）の浸炭異常層の厚みも十分に薄くすることができ、角部近傍から亀裂が進展することを抑制することが可能となる。一方、上記特定位置における浸炭異常層の厚みが２０μｍを超える場合には、このような効果が十分に得られないおそれがある。

また、上記横孔の上記開口部から１ｍｍ深さの位置において、内表面から１５０μｍ深さまでの範囲においてトルースタイト組織が存在しないか、あるいは存在しても面積率１．００％以下となって実質的に存在しない範囲に抑制される。この特定位置においてトルースタイト組織を抑制することは、表面硬化層が焼戻しマルテンサイト主体の組織から構成されていることとなり、優れた強度特性を確保することができる。

また、上記横孔の上記開口部の角部に円相当径が０．１μｍ以上の炭化物が網目状に配列された網目状炭化物が存在していない。横孔の開口部の角部において上記のような網目状炭化物が存在しないことにより、得られたシャフト部品の、応力集中を防ぐという効果が得られ、一方、円相当径が０．１μｍ以上の炭化物が存在すると、このような効果が得られない。なお、ここで問題にしている炭化物とは、ピン止め粒子として利用されるＡｌＮやＮｂ炭窒化物のようなｎｍオーダーの大きさの炭化物とは異なるものであって、粒界上に網目状に生成される、大きさが０．１～１．０μｍ程度の炭化物のことを言う。

次に、上記横孔付きシャフト部品は、少なくとも、上記外表面には、ショットピーニング処理が施されたことにより圧縮残留応力が付与された、圧縮残留応力付与層を有することが好ましい。上記圧縮残留応力付与層の存在により、さらに、シャフト部品の疲労強度を向上させることができる。圧縮残留応力層の圧縮残留応力は、上記横孔の上記開口部から、シャフト部品の径方向に１ｍｍ入った位置における上記内表面の最表面の圧縮残留応力が、－５００ＭＰａ以下（ここで、「－」は圧縮であることを意味し、「以下」とはより圧縮応力の絶対値が大きいことを意味している。）であることが好ましい。この範囲を確保することによって、上記効果を確実に得ることができる。

本発明の横孔付きシャフト部品及びこれを製造するための鋼材に係る実施例について説明する。本例では、表１及び表２に示すように、２１種類の鋼材（実施例Ｅ１～Ｅ１３、比較例Ｃ１～Ｃ１２（比較例Ｃ１１はＮｉを含有する従来鋼であるＳＮＣＭ４２０であり、比較例Ｃ１２は、浸炭用鋼として最も多く使われている従来鋼ＳＣＭ４２０である。）を準備し、図１及び図２に示す横孔付きシャフト部品１を作製し、種々の特性について評価を行った。ここで、表１に示す実施例Ｅ６は、Ｍｏを積極添加せず、不純物として含有する鋼である。また、Ｐ、Ｓについては、後述の表２を含めて記載していないが、全ての鋼材が、不純物として０．０１０～０．０２５％含有している。

＜シャフト部品の作製＞
各鋼材を真空溶解炉にて溶解・鋳造を行って鋼塊を得て、当該鋼塊に鍛伸加工を加えてΦ５０ｍｍの棒鋼を得た。従来鋼については、量産設備で製造した棒鋼からサンプル採取した。この棒鋼に機械加工を加えて、図１及び図２に示す横孔付きシャフト部品１を作製した。これらの図に示すように、横孔付きシャフト部品１は、シャフト本体１０の内部に、中心軸に沿った内孔２を有すると共に、外表面１１から内孔２に連通するよう径方向に設けられた横孔３を有するものである。

本例では、シャフト部品１の外径Ｄ１はΦ２２．４ｍｍ、内孔２の内径Ｄ２はΦ７．０ｍｍ、横孔３の内径Ｄ３はΦ４．０ｍｍ、深さＨは約７．７ｍｍとした。また、横孔３の開口部３１の角部３３は、Ｃ＝０．５ｍｍの面取り（図面上では省略）を施した。なお、これらの寸法は、シャフト部品１の使用部位、用途等に応じて適宜変更可能である。例えば、シャフト部品１の外径Ｄ１はΦ１５～３５ｍｍ程度、内孔２の内径Ｄ２はΦ５から１５ｍｍ程度、横孔３の内径Ｄ３はΦ１～８ｍｍ程度（内孔径より小さい）の範囲で変更することもできる。また、シャフト部品１の両端には、後述するねじり試験を行うために、シャフト本体１０よりも大径化するとともに、軸方向に平行な基準平面を設けた掴み部（図示略）を設けた。

上記のシャフト部品１は、ガス浸炭あるいは減圧浸炭のいずれかを含む浸炭焼入れ処理を施し、その後、掴み部のみ仕上げの機械加工を施して試験材としてのシャフト部品１を得た。

ガス浸炭・焼入れ処理は、シャフト部品１を浸炭ガス雰囲気中に保持温度９５０℃で１３０分間保持して浸炭処理を行った後、８５０℃まで冷却してその温度に３０分間保持し、その後、油浴中に投入する油焼入れを行う条件で行った。さらに、その後、シャフト部品１を１５０℃に１時間保持する焼戻し処理も加えた。

減圧浸炭・焼入れ処理は、処理温度は９５０℃とし、減圧雰囲気下においてパルス状の浸炭性ガスを導入し浸炭処理を行った後、８５０℃まで冷却してその温度に３０分間保持し、その後、油浴中に投入する油焼入れを行う条件で行った。さらに、その後、シャフト部品１を１５０℃に１時間保持する焼戻し処理も加えた。

なお、実施例Ｅ１１、Ｅ１３については、掴み部仕上げの機械加工の後に、ショットピーニング処理を加えた。ショットピーニング処理の条件は、１段目はショット粒Φ０．６ｍｍ前後、アークハイト０．３～０．６ｍｍＡ、２段目はショット粒Φ０．３ｍｍ前後、アークハイト０．１～０．３ｍｍＮ、カバレージはともに２００％以上という条件とした。

＜浸炭異常層、トルースタイト組織及び網目状炭化物の評価＞
図２に示すシャフト部品１の横断面にナイタール腐食を施した後、光学顕微鏡で観察して得られた画像を用い、横孔３の開口部３１から、シャフト部品１の径方向に１ｍｍ入った位置Ｐ１において、内表面３２から矢印Ｌ方向における浸炭異常層の厚みを測定した。測定結果は、後述する表３に記載した。

また、上記画像を用い、矢印Ｌ方向における内表面３２から１５０μｍ深さまでの範囲における、浸炭異常層の部分を除いた部分のトルースタイト組織の面積率を画像解析ソフトにて測定した。測定結果は、後述する表３に記載した。

また、上記画像を用い、横孔３の開口部３１の角部３３近傍を観察し、円相当径が０．１μｍ以上の炭化物が網目状に配列された網目状炭化物が存在しているか否かを観察した。円相当径が０．１μｍ以上の炭化物がない場合には、「なし」、あるい場合には、「有り」を表３に記載した。

＜硬さ測定＞
シャフト部品１の内部硬さは、図２に示すシャフト部品１の横断面における外径Ｄ１に対して外表面からＤ１の１／４の深さの位置Ｐ２のビッカース硬さ（ＨＶ）を測定した。測定結果は、後述する表３に記載した。

横孔３の内表面の硬さは、図２示すシャフト部品１の横断面における、開口部３１から、シャフト部品１の径方向に０．０５ｍｍの位置Ｐ３（内表面そのものではなく、実際には、平坦な横断面上における内表面から０．０５ｍｍの深さの位置）から７．０ｍｍの位置Ｐ４（Ｐ３と同じ深さの横断面上の位置）までを０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ又は０．２０ｍｍピッチで、マイクロビッカース硬さ（ｍＨＶ）を測定した。そして、この測定範囲の測定値の平均値を、後述する表３に記載した。また、代表例として、実施例Ｅ１と比較例Ｃ４について、測定結果をグラフにして図３に示した。同図から、実施例Ｅ１の方が比較例Ｃ４よりも、横孔３のより深いところまで高い硬さが確保されていることがわかる。また、表３に記載の通り、実施例Ｅ１では、トルースタイト生成量は１．００％未満に抑制されていたが、比較例Ｃ４については、面積率１．００％を超えるトルースタイトの生成が確認された。

＜静ねじり試験＞
各シャフト部品１について、図示しない両端の掴み部をねじり試験機のチャックに保持させて、静ねじり試験を実施し、比例限度を測定した。具体的には、各試料に一定の角速度でねじりトルクを負荷し、角度－トルク線図をそれぞれ求めた。そして、弾性変形域での直線関係が外れた時点のねじりトルクを比例限度の値として求めた。比例限度は、比較例Ｃ１１（従来鋼ＳＮＣＭ４２０）の値を基準として、これに対する比率で求め、１５％以上向上した場合を合格「○」、向上率が１５％未満の場合を不合格「×」として、表３に示した。

＜ねじり疲労試験＞
各シャフト部品１について、上記と同様にねじり試験機にセットしてねじり疲労試験を実施し、２００万回耐久限を測定した。具体的には、軸方向一方から見て右ねじり側と左ねじり側に、それぞれ同じ最大トルクが加わるようなトルクの範囲で５Ｈｚの周期で繰り返しトルクを変動させながら、疲労寿命が２００万回となる際の、前記最大ねじりトルクの値により評価した。２００万回耐久限は、比較例Ｃ１１（従来鋼ＳＮＣＭ４２０）の値を基準として、これに対する比率で求め、１５％以上向上した場合を合格「○」、向上率が１５％未満の場合を不合格「×」として、表３に示した。

＜残留応力測定＞
ショットピーニング処理を行った試験材である実施例Ｅ１１、Ｅ１３について、Ｘ線応力装置を用いてΨ０一定法という方法により、表面の圧縮残留応力を測定した。測定結果は、表３に示した。

＜被削性試験＞
まず、シャフト部品を想定した被削性試験用試験片を作製した。具体的には、従来鋼（Ｃ１１、Ｃ１２）を除く各鋼材を真空溶解炉にて溶解・鋳造を行って鋼塊を得て、当該鋼塊に鍛伸加工を加えてΦ４２ｍｍ×６００ｍｍ長さの棒鋼を得た。比較鋼Ｃ１１、Ｃ１２については、量産設備で製造された同寸法の棒鋼を準備した。この棒鋼を９００℃に１時間保持したのち、６００℃まで４時間かけて降温し、その後炉冷する焼鈍を実施した。その後、棒鋼を、Φ４０ｍｍ×２５０ｍｍ長さの棒鋼からなる被削性試験用試験片を得た。

得られた試験片に対して、旋盤により切削する場合の切削工具の摩耗量によって評価した。切削条件は、切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．４ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み：０．８ｍｍ、潤滑ｗｅｔの条件とした。２６００ｍの切削後に切削工具の逃げ面の摩耗量を測定し、その値が比較例Ｃ１２（従来鋼ＳＣＭ４２０）を基準として同等以下の摩耗量の場合を合格「○」、そうでない場合を不合格「×」として表３に示した。

表３から理解できるように、実施例Ｅ１～Ｅ１３については、内部硬さ、横孔の特定位置の内表面の硬さ、特定位置の浸炭異常層の厚み、特定位置のトルースタイト組織の面積率が全て適切範囲にあり、かつ、角部に網目状炭化物が存在していないものとなっていた。その結果、被削性、静的ねじり強度、疲労強度という全ての特性において、優れた結果を発揮した。また、表３に数値では示していないが、ショットピーニングを実施した実施例Ｅ１１、Ｅ１３については、他の実施例に比較して特に優れた疲労強度が得られることが確認できた。

一方、比較例Ｃ１は、Ｃ（炭素）含有率が低く、式１も満たさないため、浸炭異常層が厚くなりすぎ、内部硬さ及び横孔の特定位置の内表面の硬さが低くなりすぎ、静的ねじり強度及び疲労強度が劣る結果となった。

比較例Ｃ２は、Ｃ（炭素）含有率が高く、式１も満たさないため、浸炭異常層が厚くなりすぎて、疲労強度が劣るとともに、焼鈍後の硬度（表３には未記載）が十分に低下せず、被削性が劣る結果となった。

比較例Ｃ３は、Ｓｉ（ケイ素）含有率が低く、式１も満たさないため、浸炭異常層の厚みが厚くなりすぎ、疲労強度が劣る結果となった。

比較例Ｃ４は、Ｓｉ（ケイ素）含有率が高く、式２も満たさないため、横孔の内表面の硬さ及びトルースタイト組織の面積率が悪化し、被削性及び疲労強度が劣る結果となった。

比較例Ｃ５は、Ｍｎ（マンガン）含有率が低く、内部硬さ、横孔の内表面の硬さが悪化し、静的ねじり強度及び疲労強度が劣る結果となった。

比較例Ｃ６は、Ｍｎ（マンガン）含有率が高く、焼鈍後の硬度（表３には未記載）が十分に低下せず、被削性が劣る結果となった。

比較例Ｃ７は、Ｃｒ（クロム）含有率が低く、内部硬さ、横孔の内表面の硬さが悪化し、静的ねじり強度及び疲労強度が劣る結果となった。

比較例Ｃ８は、Ｃｒ（クロム）含有率が高く、式２も満たさないため、トルースタイト組織の面積率が悪化し、角部に網目状炭化物が生成していたため、静的ねじり強度及び疲労強度が劣る結果となった。

比較例Ｃ９は、Ｔｉ（チタン）及びＢ（ホウ素）が未添加で、Ｎ（窒素）の含有率が高すぎ、Ｂの粒界強度向上効果が十分に得られていない影響で、疲労強度が劣る結果となった。

比較例Ｃ１０は、個々の成分は範囲内であるが、式２を満たさいないため、トルースタイト組織の面積率が悪化し、疲労強度が劣る結果となった。

比較例Ｃ１１は、Ｎｉを含む従来鋼ＳＮＣＭ４２０であり、被削性を除く各特性の基準（目標）を定めるための比較例として記載したものである。前記している通り、Ｎｉを含有するため、強度は従来鋼の中で優れているが、被削性が劣り、コスト高の鋼である。

比較例Ｃ１２は、Ｎｉを含まない従来鋼ＳＣＭ４２０であり、被削性評価の基準（目標）を定めるための比較例として記載したものである。被削性は問題ないものの、本発明で提案している強度改善策が全く反映されていないため、静的強度、疲労強度共に大きく劣るものである。

１ 横孔付きシャフト部品
１０ シャフト本体
１１ 外表面
２ 内孔
３ 横孔
３１ 開口部
３２ 内表面
３３ 角部

Claims (4)

1. 中心軸に沿った内孔を有すると共に、外表面から上記内孔に連通するよう径方向に設けられた横孔を有し、少なくとも、上記外表面及び上記横孔の内表面に浸炭硬化層を備えたシャフト部品であって、
   質量％にて、Ｃ：０．１９～０．２８％、Ｓｉ：０．５０～１．００％、Ｍｎ：０．３５～１．６０％、Ｃｒ：０．４５～１．５０％、Ａｌ：０．０２０～０．０８０％、Ｔｉ：０．０１～０．０８％、Ｂ：０．００１０～０．００５０％、Ｎｂ：０．０１～０．０７％、Ｎ：０．００２０～０．０１００％を含有し、任意元素として、Ｍｏ：０．８０％以下を含有し、下記式１及び式２を具備し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる化学成分組成を有し、
   式１：２５＜（Ｓｉ－０．４１）²×１００＋９Ｃｒ＋１８Ｍｏ＋１６、
   式２：０＜－Ｃｒ＋０．５／Ｓｉ＋０．０１／Ｎｂ＋０．６－０．７Ｍｎ、
   （ただし、式１及び式２における元素記号は、各元素の含有率（質量％）の値を意味する。）
   内部硬さが、４００～５００ＨＶであり、
   上記横孔の開口部から上記径方向に当該横孔の全長の３／４の位置までの上記内表面の平均硬さが８００ＨＶ以上であり、
   上記横孔の上記開口部から上記径方向に１ｍｍの位置において、上記内表面からの浸炭異常層の厚みが２０μｍ以下であると共に、上記内表面から１５０μｍ深さまでの範囲においてトルースタイト組織の面積率が１．００％以下であり、
   上記横孔の上記開口部の角部に円相当径が０．１μｍ以上の炭化物が網目状に配列された網目状炭化物が存在していない、横孔付きシャフト部品。
2. 少なくとも、上記外表面には、ショットピーニング処理が施されたことにより圧縮残留応力が付与された圧縮残留応力付与層を有する、請求項１に記載の横孔付きシャフト部品。
3. 上記圧縮残留応力付与層は、上記横孔の上記開口部から、上記径方向に１ｍｍ入った位置における上記内表面の最表面の圧縮残留応力が、－５００ＭＰａ以下である、請求項２に記載の横孔付きシャフト部品。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の横孔付きシャフト部品を製造するための鋼材であって、上記化学成分組成を有する、鋼材。

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